CN102436517A - 多芯片组件（mcm）可靠性预计模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多芯片组件(MCM)可靠性预计模型，它包括外贴元器件失效率部分、基板基本失效率部分、组装互连失效率部分及封装失效率部分，根据基板失效率、外贴元器件失效率、组装互连失效率、封装失效率的关系，再考虑环境因子和质量因子对产品可靠性的影响，得出产品失效率。本发明解决了国内对MCM产品的可靠性进行预计的难题，为MCM产品的失效率水平和可靠性预计提供了依据。

Description

多芯片组件(MCM)可靠性预计模型
技术领域
本发明涉及多芯片(MCM)组件，尤其涉及一种多芯片组件(MCM)可靠性预计模型。
背景技术
多芯片组件(MCM)是目前电子封装中最为先进的一种封装形式，是在混合集成电路基础上发展起来的一种高级混合集成组件。近年来，随着整机电子系统对高性能、多功能和小型化要求的不断提高，MCM也得到了飞速的发展，伴随着材料技术的不断进步，MCM已经可以应用于很多高性能和高可靠性的领域中。
由于MCM高性能、小型化的优点，使得它广泛的应用于武器装备、航空、航天等国防军事领域中。第二代杀手锏装备、军用雷达、指挥控制、电子对抗等重点电子武器装备和系统中大量采用了MCM，正是如此，除了要求MCM高性能、小型化之外，还要求高的可靠性。因此对MCM进行可靠性预计就显得尤为重要。
MCM与传统意义上的混合集成电路有所不同，主要区别如下：混合集成电路(HIC)各种基板上安装的主要是无源元件，半导体器件所占的比例非常小，作为HIC用的半导体器件可以是裸芯片也可以是已封装器件，在通常情况下，制成部件的电路较为简单，而MCM在各种高密度多层基板上安装的主体是半导体器件，确切地说是未封装的半导体器件芯片，制成部件的电路一般都较为复杂。由此可知，MCM技术是混合集成技术的延伸，是HIC技术与WSI技术的综合，也是PCB技术与IC裸芯片封装技术的结合，是混合集成技术的高级产品，因此功能和集成度也远高于传统的混合集成电路。
目前国内外大部分可靠性预计手册在对MCM产品进行预计时，均是将MCM归于混合集成电路，然后依据混合集成电路的预计方法对MCM产品进行预计.FIDES2009可靠性预计手册出版后，尽管手册中给出了MCM产品的可靠性预计模型，但是工程上仍无法完全适用，主要有以下两个原因：1.预计模型形式复杂，系数繁多，且很多系数通过试验室试验获得，工程实际应用中很难获取；2.国内MCM产品的生产线的成熟程度、设计水平、工艺控制水平等均与国外有所不同，因此，MCM的失效率水平不能也不可能完全依据FIDES2009可靠性预计手册中的失效率预计模型进行预计，必须结合并考虑国内MCM产品的失效率水平的具体结构特点、应用情况以及失效模式及机理。这些因素导致其MCM可靠性预计模型无法广泛的应用于工程领域中。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种多芯片组件(MCM)可靠性预计模型，解决了国内对MCM产品的可靠性进行预计的难题，为MCM产品的失效率水平和可靠性预计提供了依据。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：1、一种多芯片组件(MCM)可靠性预计模型，其特征在于，它包括外贴元器件失效率部分、基板基本失效率部分、组装互连失效率部分及封装失效率部分，根据基板失效率、外贴元器件失效率、组装互连失效率、封装失效率的关系，再考虑环境因子和质量因子对产品可靠性的影响，得出产品失效率。
多芯片组件(MCM)可靠性预计模型的定量描述如下：
Figure BDA0000088861140000021
式中：
λ芯片-i表示由外贴器件引发的失效率，包括裸芯片和分立器件；λ无源无件表示由各类无源元件引发的失效率，包括SMD和淀积元件；λ内部互连表示由内部连接引发的失效率，包括芯片-基板和基板-管壳连接；λ基板表示由基板引发的失效率；λ管壳表示由封装管壳引发的失效率；πQ为质量系数，表示不同质量控制等级对组件工作失效率的影响；πE为环境系数。
其中，裸芯片的失效率λ芯片＝λb×πT，分立器件的失效率λ芯片＝λb×πT，λb为裸芯片基本失效率，λb为分立器件基本失效率，πT为温度系数；各类无源元件引发的失效率为∑N·λ无源元件＝∑N·λR+∑N·λC，λR为电阻元件的基本失效率，λC为电容元件的基本失效率；内部连接引发的失效率λ内部互连＝N×λb，λb为单个互连基本失效率；基板引发的失效率λ基板＝λb×As×πlayer，λb为单位面积基板基本失效率，As为基板面积，πlayer为层数系数；封装管壳引发的失效率λ管壳＝λPC，λPC为封装复杂度失效率。
与现有技术相比，本发明在分析研究MCM的主要失效模式及其影响程度的基础上，通过开展加速寿命试验，获取基板的基本失效率水平；通过获取当前MCM的基本制造信息，确定了外贴元器件使用情况、封装情况、互连组装情况及质量等级情况；通过对现场工艺数据、可靠性试验数据、及国内外相关标准的整理分析，获取了MCM外贴元器件、组装互连、封装的基本失效率水平；通过对国内使用单位的调研和数据收集，结合国外相关标准分析研究，获取了MCM的环境系数和质量系数，在各个系数均以获取的情况下，建立了MCM可靠性预计模型，用数学模型定量的描述MCM与使用环境、质量等级、产品结构等主要因素的关系，为确定可靠性指标、开展可靠性预计提供依据。
具体实施方式
本实施例的多芯片组件(MCM)可靠性预计模型主要由以下四部分构成：外贴元器件失效率、基板基本失效率、组装互连失效率及封装失效率，分别计算出基板失效率、外贴元器件失效率、组装互连失效率、封装失效率之后，再考虑环境因子和质量因子对产品可靠性的影响，最终计算出MCM产品失效率。具体预计模型如下：
Figure BDA0000088861140000031
式中：
λ芯片-i表示由外贴器件引发的失效率，包括裸芯片和分立器件，计算公式见表1，当前MCM-C常用裸芯片和分立器件基本失效率见表2、表3，温度系数见表4、表5；
λ无源元件表示由各类无源元件引发的失效率，包括SMD和淀积元件，计算公式见表1，当前MCM-C常用无源器件基本失效率见表6；
λ内部互连表示由内部连接引发的失效率，包括芯片-基板和基板-管壳连接，计算公式及基本失效率见表1；
λ基板表示由基板引发的失效率，见计算公式及失效率表1，基板的层数因子见表7；
λ管壳表示由封装管壳引发的失效率，计算公式见表1，封装失效率取值见表8；
πQ质量系数，表示不同质量控制等级对组件工作失效率的影响，具体取值见表9；
πE环境系数，表示不同类别环境应力对组件失效率的影响，具体取值见表10。
本发明所建立的MCM可靠性预计模型，基本比较真实的反映了国内MCM产品的可靠性水平。同时，由于模型结构简洁，具有很好的适用性和实用性。MCM失效率预计模型考虑了不同基板层数、外贴元器件种类数量、封装类型等引起的可靠性差别，基本上覆盖了当前国内常用的MCM产品的类型。该模型为我国MCM产品的失效率水平和可靠性预计提供了依据，也为确定MCM-C产品可靠性指标，开展新一代武器电子装备的可靠性评估和预计提供了依据，解决了国内对MCM产品的可靠性进行预计的难题，填补了国内的空白。数据均采用MCM产品的现场信息、试验信息及相关制造信息，从而保证可靠性预计模型能完全体现国内MCM产品的可靠性质量情况。通过对国内外所有MCM相关文献及预计手册进行的研究以及对国内生产厂家及用户走访调研，保证了MCM可靠性预计模型的结构及影响因子完整和准确。
表1各组成部分失效率的预计模型
表2裸芯片基本失效率
  类别   晶体管数   门数   λb(FIT)   备注
  模拟开关   100-200   30-70   6.31   TTL
  运算放大器   100-400   20-120   6.83   TTL
  稳压器   30-60   10-20   4.57   TTL
  比较器   100-500   40-150   7.28   TTL
  温度传感器   6000-7000   1500-2000   2.58   CMOS
  数/模转换器   3000-5000   850-1200   2.32   CMOS
  计数器   10000-11000   2500-3500   2.83   CMOS
  相位控制器   400-500   120-160   1.93   MOS
  压控振荡器   100-200   40-70   6.44   TTL
表3MCM-C常用分立器件基本失效率
Figure BDA0000088861140000052
表4集成芯片πT表
  Tj/℃   πT   Tj/℃   πT   Tj/℃   πT   Tj/℃   πT
  45   0.657   75   2.316   105   8.166   135   28.789
  50   0.811   80   2.858   110   10.074   140   35.517
  55   1.000   85   3.525   115   12.429   145   43.816
  60   1.234   90   4.349   120   15.333   150   54.055
  65   1.522   95   5.366   125   18.916   155   66.686
  70   1.878   100   6.619   130   23.336   160   82.269
表5分立器件πT表
Figure BDA0000088861140000061
表6无源元件基本失效率
Figure BDA0000088861140000062
表7层数系数πlayer
Figure BDA0000088861140000063
表8封装失效率
Figure BDA0000088861140000071
表9质量系数πQ
Figure BDA0000088861140000072
表10环境系数πE
  环境   GB   GMS   GF1   GF2   GM1   GM2   MP   NSB   NS1   NS2
  πE   1.0   1.5   2.5   6.5   7.0   11   8.0   7.5   5.0   10
  环境   NU   AIF   AUT   AIC   AUC   ARW   SF   ML   MF
  πE   14   15   23   10   13   19   1.2   32   14

Claims (3)

1.一种多芯片组件(MCM)可靠性预计模型，其特征在于，它包括外贴元器件失效率部分、基板基本失效率部分、组装互连失效率部分及封装失效率部分，根据基板失效率、外贴元器件失效率、组装互连失效率、封装失效率的关系，再考虑环境因子和质量因子对产品可靠性的影响，得出产品失效率。
2.根据权利要求1所述的多芯片组件(MCM)可靠性预计模型，其特征在于，它的定量描述如下：
Figure FDA0000088861130000011
式中：
λ芯片-i表示由外贴器件引发的失效率，包括裸芯片和分立器件；λ无源元件表示由各类无源元件引发的失效率，包括SMD和淀积元件；λ内部互连表示由内部连接引发的失效率，包括芯片-基板和基板-管壳连接；λ基板表示由基板引发的失效率；λ管壳表示由封装管壳引发的失效率；πQ为质量系数，表示不同质量控制等级对组件工作失效率的影响；πE为环境系数。
3.根据权利要求2所述的多芯片组件(MCM)可靠性预计模型，其特征在于，其中，裸芯片的失效率λ芯片＝λb×πT，分立器件的失效率λ芯片＝λb×λT，λb为裸芯片基本失效率，λb为分立器件基本失效率，πT为温度系数；各类无源元件引发的失效率为∑N·λ无源元件＝∑N·λR+∑N·λC，λR为电阻元件的基本失效率，λC为电容元件的基本失效率；内部连接引发的失效率λ内部互连＝N×λb，λb为单个互连基本失效率；基板引发的失效率λ基板＝λb×As×πlayer，λb为单位面积基板基本失效率，As为基板面积，πlayer为层数系数；封装管壳引发的失效率λ管壳＝λPC，λPC为封装复杂度失效率。
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